基于LabVIEW的旋转机械振动信号的采集与处理

1、自动化技术与应用2005年第24卷第3期基于LabV IEW 的旋转机械振动信号的采集与处理周德照, 张进明, 江志农(北京化工大学, 摘要:。提出了基于IEW , 并给出了实例, 完全可以满足方便地监测各类转子工况的要求。关键词:虚拟仪器; LabV IEW ; 信号采集; 信号处理; 数据分析中图分类号:TH11311; TP27412文献标识码:A 文章编号:100327241(2005 0320062203LabVIEW -Bas e d Dat a Ac quisition and Proces singof t he Rot or Vibration SignalZH OU De-

2、zhao , ZHANG Jin-ming , JIANG Zhi-nong(College of Information Science &Technology , Beijing University of Chemical Technology , Beijing 100029, China Abstract :The advantages of the supervising and diagnosis system for rotors using virtual instrument is discussed in this paper. The hardware and

3、s oft 2ware of the data acquisition and processing of the vibration signal based on LabVIEW is presented. And an exam ple is given in the end.K ey w ords :Virtual Instrument ; LabV IEW ; Signal acquisition ; Signal processing ; Data analysis1引言旋转机械是工业应用最广泛的机械, 许多旋转机械是众多行业的关键设备, 这些设备一旦发生故障, 将造成巨大经济损失

4、。因此, 在工业生产过程中, 为了减少设备故障造成的损失, 要加强对转子运行状态的监测和诊断分析, 而转子的振动信号无疑是一个重要的信息。目前, 国内外很多企业都为大型转子配备了监测和诊断系统, 但大多由硬件组成和实现, 系统不易更新。作为传统仪器的革新产品, 虚拟仪器有很多的优点。Lab 2V IEW 作为一种虚拟仪器开发平台, 它在包括航空、航天、通信、 汽车、半导体和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用1。从经济实用的角度出发, 文中采用虚拟仪器技术对工业过程中转动设备的运行状态进行实时在线监测和数据分析, 并利用虚拟仪器编程语言LabV IEW 工具开发了一套监测软件, 该软件

5、前面板采用形象的按钮进行功能选择, 真正做到操作收稿日期:2004-09-23简单灵活、运行可靠等特点。数据采集部分可以灵活的采集多个振动信号; 数据分析提供强大的数字信号分析功能, 包括时域和频域分析, 为进一步的故障诊断提供了依据。2硬件系统的设计整个硬件系统是由电涡流传感器、信号调理模块、数据采集卡和计算机组成, 如图1所示。图1硬件系统结构图26|Techniques of Automation &Applications 自动化技术与应用2005年第24卷第3期2. 1传感器传感器采用电涡流传感器, 与其它类型的位移传感器相比, 有很多优点, 如灵敏度高、线性范围大、频率范围

6、宽、抗干扰能力强、不受介质影响等。在采集振动信号时, 要同时采集键相信号才有意义。所谓键相位信号, 是由安装在转轴上的涡流传感器在转轴每转一圈时产生的脉冲。由于电涡流传感器与被测物体不接触, 因此适用于旋转机械的振动信号和同步采样用的键相位信号2。2. 2信号调理模块 信号调理模块将传感器信号与计算机隔开, , 而为了得到更精确的测量, 信号隔直电路、号滤波电路、。、。2. 3数据采集卡数据采集卡是外界电信号与PC 机之间的桥梁。N I 6110数据采集卡是美国国家仪器公司设计的一种同步多功能数据采集卡(DAQ , 适用于PC 及兼容机, 可用于各类电信号的采集、控制并处理后电信号输出。它有多

7、达4路差分输入, 同步采样模拟输入,12位精度, 每一个通道最快10MS/s 的采样率, 输入范围为±0. 2到±42V , 两路12或16位模拟输出,8条数字I/O 线, 两路24位计数器/定时器, 保证了实时信号的不间断采集与存储。同时它还具有信号控制和输出的功能。2. 4监测分析站监测分析站是一台微型计算机, 它获得数据采集卡的信号并对它进行各种分析处理。利用LabV IEW 软件开发出具有形象按钮的前面板, 利用其强大的图形化编程功能, 可以实现各种显示和处理功能。只要对微机面板上的按钮进行操作就能完成监测与诊断任务。3采样参数的选择(1 同步整周期采样:同步采样是

8、以键相位信号前沿为基准实现各个通道的同步与同时刻采样。整周期采样时, 系统的采样频率动态地跟踪转速信号频率的变化。确保在采样点数不变的情况下, 采样间隔均匀, 所采信号周期完整, 可以最少的采样数据得到精确的分析结果。(2 采样频率:对于振动信号, 假定转速频率为f , 需要分析到其m 次谐波(即m 倍频 , 则选择采样频率f s 215×m ×f 比较合适。本系统采样频率的计算是采用跟踪转速的方法,即计算出键相信号相邻脉冲之间的时间间隔t , 得出基频频率为f =1/t , 所以对于一个周期采集32点的采样频率f s =32×f =32/t 。(3 采样长度:对

9、于振动信号, 通常是每次采集210=1024个数。出于某些特殊考虑, 采样长度也可以取其他值, 如512、2048等, 但一般都取为2的整数次幂。这是因为在快速傅立叶变换(FFT 时, 这种长度的数据运算起来比较方便。4系统软件设计LabV IEW 是一种图形化编程环境, 采用它开发旋转机械数据采集程序, 能够充分地利用图形化编程语言的优势, 通过对数据采集卡的初始化设置和数据采集程序设计, 就可以方便地构建数据采集系统。2、参数自动测、图2系统软件结构框图触发控制:若触发通道选择按钮状态为True , 则选通相应的键相位信号通道, 引入键相位信号。通道控制:端口根据前面板选择按钮选择的触发通

10、道, 设置数据采集卡的数字I/O 端口的电平高低。端口设置工作主要由LabVIEW 中Data Acquisition 函数组中的DIG L INE 子VI 完成。时基控制:在预先设置的时限内没有检测到键相位信号时, 系统提示“键相位信号丢失”的错误信息, 并提示用户是否退出。信号频率的确定主要由Data Acquisition 函数组中的PUL SPERIOD 子V I 完成。数据采集:系统首先检查前面板触发通道选择按钮的状态, 以确定是否引入键相位信号。再以事先设定好的采样速率对振动信号通道进行数据采集;数据存储:将采集到的数据存储在指定的位置, 以便建立旋转机械运行状态的信息库。数据处理

11、:对采集卡输入的信号进行各种滤波, 并进行频谱分析为故障诊断提供依据。5振动信号的处理与分析5. 1信号处理的方法LabV IEW 通过函数库或是控件的形式提供了大量的用于信号处理的函数, 即滤波器函数、窗函数、信号发生函数、时域函数和频域函数五个子函数库。为满足采样定律, 必须滤出信号中高频成分, 采用低通滤波方式, 在实际应用中可以调用上述函数36Techniques of Automation &Applications | 自动化技术与应用2005年第24卷第3期来实现各种信号处理功能。经过处理后的信号可进行时域分析和频域分析, 最常用的分析方法是快速傅立叶变换(FFT 和小波

12、变换(Wavelet 。 信号分析可采用2个选择循环嵌套的办法, 外层选择结构为各个频谱分析的具体内容, 包括傅立叶谱、自谱、互谱和频率响应函数分析, 内部选择结构则是外层选择结构内分析内容的不同方面, 由于自谱没有相位, 所以没有内层选择, 其它的都有幅值和相位2个分析内容的选择。对于频谱分析, 可以进行滤波窗口选择, 在前面板点击信号处理选项卡, 显示窗口将显示出加窗结果, 可选择Force -nential 、Flat Top 、Blackman 、 。5. 2频谱分析是振动信号处理的最重要的一种方法。在转子振动频谱上, 不同的频率分布往往对应着不同的振动原因。在计算机上实现振动信号的频

13、谱分析, 通常的方法是对信号进行离散傅立叶变换(DFT , 不过这种算法计算量大, 而采用FFT 算法可节省时间。FFT 算法把一个信号数组分解为奇数下标和偶数下标两个数组, 然后利用指数函数(即旋转因子 的周期性消去多余操作3。 从频域看, 窗函数的作用就像是带通滤波器,N 条谱线就相当于N 个并联的逐级横带宽滤波器, 它们的中心频率各等于相应的频率抽样k f (k =0,1,2N -1 。如果信号中某频率分量的频率f i 恰好等于k f , 即f i 恰好与显示或输出的频率抽样完全重合, 那么该谱线可给出精确的谱值; 反之, 若f i 与频率抽样不重合, 就会得出偏小的谱值, 这就是所谓的

14、“栅栏”效应。为了削弱泄漏效应与栅栏效应对频谱分析的影响, 可增加FFT 谱线数量, 提高频谱分辨率4。以K501离心压缩机为例, 我们利用LabV IEW 设计了一套信号采集与处理系统, 绘制出了其频谱图。该离心压缩机转速很快, 最高可达10000转/分, 数据采样速率选择为200ksps , 设有8个测点(1V 、2V 、3V 、4V 、1H 、2H 、3H 、4H , 测量7个时间/频率参数, 具备较强的频谱分析功能, 利用硬盘或软盘进行数据存储。其频谱分析的软件设计框图如图3所示。利用本系统, 对该离心压缩机的4V 测点位置的振动信号进行了频谱分析, 图4是分析结果。从图中我们就可以清

15、楚的看出频谱的明显变化, 根据我们的经验和知识库, 可以准确判断出故障所在, 为消除故障和预防事故提供了可靠的依据。6结束语通过对旋转机械振动信号的采集、处理与分析, 可获知工况, 对保证安全生产以及对设备实行预知维护都具有十分重要的意义。本文介绍了利用LabV IEW 强大的图形化编程环境和高性能数据采集卡, 构建先进的数据采集与处理系统, 在实际应用中取得了预期效果。尽可能利用虚拟仪器技术可以实现开发周期短、效率高、软件性能好、便于维护的优点。图3振动频谱软件流程图图4K501离心压缩机的4V 测点的振动信号频谱分析7参考文献:1杨乐平, 李海涛, 肖相生. LabVIEW 程序设计与应用M .